圆柱型置换通风的盐水模型

圆柱型置换通风的盐水模型

0置换通风特点影响人体舒适性的因素置换通风利用了空气密度差形成的冷气减少和热气上升的现象，从而达到了通风和空调的目的。通过位于室内下部的风出口，直接将风风速和小高差直接引入室内区域。风风速降低后，气流沿地面扩散，并以顶部开口。这是通过加热形成的上升气流和后续空气的促进作用实现的。人们容易认为这样的气流对人体舒适感不会有太大影响,送风口对气流速度场的影响也是微不足道的。但是实际并非如此,这种稍冷的气流离开出口下沉于地面,其本身是分层的,最底层速度最大,温度最低,易使人产生风感,影响舒适。这个速度是与送风口形状和结构特性有关的。贴地气流层的速度有时可能大于风口的面风速,而且这种现象甚至出现在距风口1.0m以上处。由于传热与传质是同时发生的,所以风口特性对温度分布也必然会有一定影响。由于置换通风的特点导致了它与传统的混合送风在设计参数选择上是不一样的。现在对置换通风的设计参数规定的范围过窄,温差2~4℃,送风速度v=0.2~0.5m/s,在实际的工程中可能较难实现,这也就限制了置换通风的使用推广。1实验原理和实验装置1.1u—实验系统本文将采用盐水模型实验方法观测和研究不同的圆柱型置换通风口对置换通风形成效果的影响,以及形成置换通风的条件。参考文献中对置换通风盐水模型的相似性进行了分析,指出只要保证两种运动的Fr数相等,则两个现象相似。由于Fr数与Ar数为倒数的关系,且在供热空调领域多使用Ar数,所以本文采用Ar数相等作为形成两个现象相似的条件。定义Ar数为:式中:u—风口的出口风速△T—送风温差实验装置如下图所示:图中,1~4阀门,5水箱,6有机玻璃罐,7圆柱型置换通风口,8水泵,9变频器。水箱5为盐水箱,镀锌钢板焊接而成的,其大小为1.25m×1.25m×1m。有机玻璃罐6直径为1m。装置中的管道除了泄水管之外全部采用DN65的PVC管。实验采用流动显示技术,水箱5中为红颜色的盐水,玻璃罐6中为清水。实验时打开阀门1、2,关闭阀门4,使经过染色的盐水从管路中流入玻璃罐6中。实验中通过改变变频器的频率从而改变水泵的转速和通过调节旁通管上的阀门3两者的联合作用来实现盐水水量的调节。在每次做完实验后可关闭阀门1、2,打开阀门3、4将玻璃罐6中的盐水重新抽回水箱中,从而使盐水重新利用。当玻璃罐6中的盐水的水位降到风口7顶部以下时,打开玻璃罐6底部的泄水阀,将剩余的盐水排走。在实验初始的阶段调节盐水密度的时候可关闭阀门2、3,打开阀门1、4使盐水箱的盐水搅拌均匀,使盐水箱中的盐水密度均匀。1.2实验开孔情况的分析本文主要研究的是置于自由空间的圆柱型置换通风口的风口特性。研究其在不同的高度、开孔大小和开孔率时对置换通风的影响。本实验所采用的风口是由1mm厚的镀锌冲孔网板加工而成的,所采用冲孔板的开孔情况为梅花形即60°角排列。其加工图及开孔情况如下:图中H、c、d的取值以及开孔率如下表,本次实验中所有风口的D均为160mm。为保证出风均匀在风口的中心部位设置了一个的圆锥形布袋,增加出风阻力。1.3大高差风速对置换通风密度差的影响参考文献指出在Ar>4的时候可形成置换通风,本次实验所采用的Ar数的范围在2.5~5之间,并在实验中根据实验情况对设定的Ar数进行调整,找出形成置换通风时的临界的Ar数。由于现行的置换通风的设计标准中对于温差的规定范围过小,所以本文实验的设计中适当加大了送风温差,研究大温差小风速对置换通风的影响。由定压过程的状态方程假定送风温差为4~8℃,由上式计算可得盐水的密度差范围为15kg/m3~30kg/m3。本次实验对每个风口进行了15kg/m3,20kg/m3,25kg/m3,27kg/m3,30kg/m3共五个密度差的实验。根据密度差和流量的不同组合得出不同的Ar数,根据气流下沉的情况来判断置换通风的形成效果,最终找出形成置换通风的临界Ar数和不同风口对置换通风影响的规律。2沉气流距开口边缘的距离对实验中的每个风口在高度与直径比值为0.25、0.35、0.5、0.6和0.75的位置上进行的Xd/D的数据统计,(其中Xd为下沉气流距风口边缘的距离,见图5)。由此来描绘出风气流的下沉情况。根据每次实验的密度差和流量计算出每次实验的Ar数,在相对高度为0.5处的Xd/D≦0.32时气流下沉效果明显,可形成置换通风。经过整理可以得到形成效果较好的圆柱型置换通风口可以在Ar>3.2的时候即可形成置换通风。而对于形成效果较差风口要在Ar>4.8的时候才能形成置换通风。不同形式的置换通风口对置换通风形成效果也有影响。2.1置换通风的形成目前对置换通风的设计参数规定的比较严格,在置换通风相关的规范中规定了送风温差(2℃~4℃)和送风速度(0.2m/s~0.5m/s),而在实际工程中要严格达到这两方面的规定是不容易的,这也限制了置换通风的应用。但是从实验数据的整理,只要达到所要求的Ar数的值即可形成置换通风。下面的两幅图是两个在达到形成置换通风条件的Ar数时的气流下沉效果图。从图6、7可以看出,在不同的密度和流量的情况下只要Ar数保持相等,各条气流的下沉曲线之间相互交织,形成置换通风的效果基本相当。由此在置换通风的设计规则中可以适当扩大范围,以Ar数作为指标,而不是简单地孤立地规定出口风速和送风温差。从实验数据和上面的图也可以看出不同的风口形成置换通风的条件以及形成效果也是不一样的,由此风口的特性对置换通风效果产生了一定的影响2.2密度差和ar数对置换通风效果的影响本次实验对于高径比对置换通风效果的影响比较是在2号风口、5号风口和8号风口之间,这三个风口的开孔面积都在0.0405m2左右,在相同流量的情况下三个风口的出风速度是一样的,即在密度为一定的情况下只有高度对置换通风有影响。实验结果为对于风口2号口形成置换通风的条件为Ar>4.8;5号风口形成置换通风的条件为Ar>3.5;8号风口形成置换通风的条件为Ar>3.3。由此可以看出风口的高度不同形成置换通风的条件不同。从上面的几张图可以看出在相同的密度差和相同Ar数的情况下,气流下沉贴附效果最好的是200mm的风口,而高度为250mm的风口与高度为200mm的风口相比气流下沉曲线交织或者是相平行,也即两个风口的气流的下沉效果相当,但是高度为250mm的风口其形成置换通风所需的Ar数略小于200mm的风口。但160mm的风口的气流的下沉效果并不理想,但是当达到形成置换通风所需的Ar数之后高度为160mm的风口与高度为250mm差别不大。以上是在Ar数和密度差分别相等的情况下的比较结果。但是在实际应用中可能只关心Ar数对形成置换通风的影响,下图仅是保证风口的Ar数相等条件下的比较结果:上面的几组比较结果与前面的结果相同。但是从这几组数据可以发现当Ar>5之后,高度为200mm的风口的气流下沉效果明显好于高度为250mm的风口,但是高度为160mm的风口不管在何种情况下气流的下沉效果都不能优于高度为200mm的风口。由此可见在实际工程中风口的高度与直径的比值至少要大于1,推荐使用瘦高形的置换通风口。高度为200mm的风口形成置换通风所需的Ar是3.5,高度为250mm的风口形成置换通风的条件是Ar数大于3.2,而高度为160mm的风口形成置换通风的条件Ar数要大于4.8。由此可以看出,在高度与直径的比值在1和1.25之间,置换通风的形成效果有一个突变,在1.25之后形成的Ar数变化不是很大。2.3对于形成置换通风的条件的确定孔径大小的影响是分两组比较的,第一组是在3号风口、4号风口和6号风口之间进行的。这三个风口的开孔面积都在0.0335m2左右,在相同的流量和相同的密度的情况下,由于风口的高度一样,在这种情况下的Ar数也是一样的,此时影响置换通风的效果就只剩下孔径。通过比较风口的气流下沉效果来选出效果较优的风口。实验结果对于4号风口形成置换通风的条件为Ar>4.5,6号风口形成置换通风的条件为Ar>3.5,3号风口形成置换通风的条件为Ar>3.2。比较结果见图13至图15:其中工况六:3号口和4号口,密度1015kg/m3,流量9m3/h;工况七:3号口和6号口,密度1027kg/m3,流量15.5m3/h;工况八:4号口和6号口,密度1020kg/m3,流量8.4m3/h。从第一组的数据比较可以看出,在流量和密度相等的条件下,3号口和6号口相比,3号口气流的下沉效果要比6号口好,即在流量、密度和Ar数都相等的条件下,3号口气流自风口表面流出后,在下沉的过程中,气流更加贴附于风口表面。对于4号口和6号口这两个风口也存在这种情况。第二组是在5号口和7号口之间进行比较的,开孔面积为0.04m2左右。在相同流量和相同密度的情况下,由于两个风口的高度一样,所以两个风口在这种情况下的Ar数也是一样的,此时影响置换通风效果的就只剩下孔径的大小。通过比较两个风口的气流下沉效果来选出效果较优的风口。实验的结果对于5号风口形成置换通风的条件为Ar>3.5;7号风口形成置换通风的条件为Ar>4.5,见图16及图17。其中工况九:8mm×12mm和12mm×18mm密度1027kg/m3,流量13.4m3/h;工况十:8mm×12mm和12mm×18mm,密度1015kg/m3,流量11m3/h从图16.17中可以看出,在流量和密度相等的条件下,8mm×12mm的风口和12mm×18mm的风口相比,在相同的密度、流量和Ar数的情况下其气流的下沉效果差不多,在有些情况下8mm×12mm的风口要比12mm×18mm的风口气流的下沉效果好。以上的情况是在两个风口均已达到形成置换通风的条件,即在这种情况下孔径的大小对形成置换通风的影响是不大的。值得注意的是,两者形成置换通风的条件Ar相差很大。工况十一为5号口和7号口,Ar数为4.16左右时的工况。由图18可以看出,5号口的气流下沉效果要好于7号口的。对于工况十一,5号口已经形成了置换通风,而7号口并未形成置换通风。由此可见,当风口的孔径大到超过一定数值时,会对形成置换通风的条件产生一定的影响。由于12mm的风口形成置换通风的条件已经达到了4.5,在实际工程中不推荐使用这种形式的风口。对于相同的开孔面积,孔径越小的风口,其形成置换通风的效果越好。参考文献4指出在Ar>4的情况下形成置换通风,则过于笼统。且如果要使Ar>4,若温差为4℃时对于高度200mm的风口,则出风速度要小于0.0916m/s。若风口高度为1200mm,要Ar数大于4,则风口的出风速度要小于0.224m/s,这在实际工程中是很难实现的。但是从实验数据上可以看出,对于高度为200mm的风口,形成置换通风的条件为Ar>4的情况几乎没有。其中形成效果较好的3号风口其形成条件仅为Ar>3.2。在这种情况下如果高度为1200mm,温差为4℃其出风速度为0.28m/s。由此可以看出,对于圆柱型置换通风口,形成置换通风的条件为Ar在3至4之间。3作为开孔形式的arx从上面的分析可以看出,置换通风形成条件可以使用Ar数作为标准。但实验中发现,它还受风口高度和开孔形式的影响。考虑风口的高度和开孔形式对形成置换通风的影响,对Ar数进行修正,可使得用Ar数描述这一条件的方法更加完善。定义参数e=H/D,作为高度的修正。定义,作为开孔形式的修正。修正后的Ar数记为Ar*,对上式两端取对数其中已知的为Ar、e和f,对上式假定Ar*,并进行线性回归和显著性检验,将得到的结果代入式(3)中得出Ar*,将假定的Ar*与计算得到的Ar*进行比较,如果二者的偏差小于设定值,则得到修正值Ar*。如果不符合,将计算得到的Ar*作为初始值,继续计算,直到最终二者的偏差小于设定值。经过计算所得到的Ar修正值的关系式为:将各风口的数据代入得到,形成置换通风的条件为:4置换通风的设计本文采用盐水模型对不同的圆柱型置换通风器进